CN1447093A - 微惯性传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明将提供以如下内容为特征的微惯性传感器，它包括：下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用来检测第一边缘和第一固定点以及侧面运动检测结构物在内的下硅层；包括分别对应于上述下硅层的第一边缘部、第一固定点及侧面运动检测结构物的第二边缘部、经内设金属线的通孔接合的第二固定点以及上述侧面运动检测结构物之间用来检测垂直方向电容量的第二检测用电极在内的上硅层；在上述上硅层和下硅层之间共熔的接合层；位于上述上硅层上部，并具有设置金属配线的通孔的上玻璃基片。此外，在本发明中提供了微惯性传感器制造方法，本发明的目的在于实现产品的小型化和工艺的简化上。

Description

微惯性传感器及其制造方法
技术领域
本发明是涉及微惯性传感器及其制造方法，如微回转仪等微惯性传感器包括用于下段结构的元件晶片、用于上部结构的盖晶片以及它们之间的接合和配线结构。本发明的目的在于提供比现有结构更小型化，且能检测上下方向运动的以新结构构成的微传感器。
背景技术
通常，在过去制造如微回转仪等微传感器时，采用了将设置在硅或玻璃晶片上的硅微细结构与玻璃晶片进行阳极接合以实现晶片级的封装的方式。
但是，如果采用该方法，因为上述硅层之间的热膨胀系数不同而接合时就会导致弯曲。而且进行上述阳极接合时，则会导致由玻璃产生氧气的脱气现象。
为了改善这些众多弊端，不是采用玻璃和硅层之间的阳极接合，而是采用了硅(Si)与金(Au)之间的共熔焊方式。如果采用上述共熔焊方式，接合面之间不会产生压力，则可提高成品率，而且不排气可以维持高真空状态。因此，具有可以提高如回转仪等惯性传感器性能的优点。
但是，如果采用这样的共熔焊的传统方法，在第一硅层上面须设置绝缘层，且在上述绝缘层上面又形成第二硅层之后形成图样、进行蚀刻，以形成检测边缘部、固定点、侧面运动用结构物，制造元件晶片。
另外，为了防止元件晶片在工艺过程中发生污染，且维持其密封状态，在第三硅上面设置第一绝缘层，在上述第一绝缘层上面则设置导电配线之后，重新在上述导电配线上面又设置第二绝缘层，然后增设Cr/Au层，制造盖晶片，并采用共熔焊方法将上述元件晶片与盖晶片接合起来制造微惯性传感器。
下面通过附图详细说明传统的实施例。
图1a至图1f，为了说明采用传统技术制造的元件晶片和通过设置盖晶片制造微传感器的封装工艺而提供的示意图；图2是图示在采用传统技术制造的微传感器的密封接合部上设置凹槽部，并已完成封装的元件晶片和盖晶片的接合状态的正断面结构图。
如图1a所示，在厚度约500？的硅(110)上部插入氧化膜绝缘体(120)，而在微传感器(130)设置在上部的硅元件晶片(140)的传感器周围则隔一定的距离设置内部固定点(150)和外部固定点(160)。此时，在上述内部固定点(150)和外部固定点(160)之间设置低熔点密封接合部(170)，以便使得微传感器(130)在与盖晶片(210)接合时得以封装；且通过蚀刻除掉上述低熔点密封接合部(170)下段以形成凹槽部(300)。
采用上述方法制造的元件晶片(140)如图1b所示，将除了其外部固定点(160)和内部固定点(150)以及低熔点密封接合部(170)以外的绝缘体(120)则通过蚀刻处理得以除掉，最终就可以制造出元件晶片(140)。
在由一定厚度构成的盖晶片(210)的上部增设绝缘体(220)，以便与上述元件晶片(140)得以接合，在其上部则设置能使上述元件晶片(140)的内部固定点(150)和外部固定点(160)分别得以连接的导电膜图样(230)。图1c将表示这些导电膜图样。
此外，在上述导电膜图样(230)的上部将增设2次绝缘体(220′)，以保护导电膜；而在上述绝缘体(220′)、结构(230)的上部则增设Cr/Au以形成图样。
另一方面，如图1f所示，将连接在上述元件晶片(140)的外部固定点(160)的盖晶片(210)的连接部外侧进行蚀刻，以便于引线接合。此时，上述蚀刻作业须采用光敏抗蚀剂，以免Cr/Au受到影响。
如上所述，若元件晶片(140)和盖晶片(210)制造完毕，如图2所示，将盖晶片(210)与元件晶片(140)加热至400℃左右，并对其施加压力，采用低熔点接合方法使Au得到熔融的同时封装元件晶片(140)的微传感器(130)，此时，Au因为带有导电性质，可以同时发挥接合和导电两种作用。
此时，将上述元件晶片(140)和盖晶片(210)进行低熔点接合时，在密封接合部(170)设置的凹槽部(300)的角部将汇集因为受到低熔点接合时的热和压力而熔融的Au-Si熔水，这有助于提高设置在上述元件晶片(140)上的惯性传感器(130)的密封度。
但是，若采用上述的传统方法，则不仅给尺寸的小型化设计带来困难，而且制作过程变得复杂。即，若在硅(Si)层的上述外部固定点(160)上接通电源，则通过经由绝缘层(220，220′)之间的配线与内部固定点(150)得以连接，并且通过电容量的变化来检测侧面运动的变化。因此，为了从外部供应电源，必须保留上述外部固定点(160)，为此，需要确保所需空间。
为了去除这样的外部固定点，曾经尝试过在上述盖晶片上设置孔以形成电极，而此时为了防止因凹割所致的影响，必须最大限度地设置较深的通孔，如果这样，则会出现可能接触经由上述绝缘层之间的配线的危险。这样，无法在所需的位置上开孔，从而对小型化设计带来一定的难度。
发明内容
本发明为了解决上述弊端，下部形成以硅涂覆于玻璃上SOG的元件晶片和上部形成作为结构物的MEMS结构盖晶片，并从上述盖晶片上面朝着上述元件晶片方向设置通孔，从而可以提供更小型化、制造工艺更简便的微惯性传感器。
为了实现上述目的，本发明将提供以如下内容为特征的微惯性传感器，它包括：下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用来检测第一边缘和第一固定点以及侧面运动检测结构物在内的下硅层；包括分别对应于上述下硅层的第一边缘部、第一固定点及侧面运动检测结构物的第二边缘部、经内设金属线的通孔接合的第二固定点以及上述侧面运动检测结构物之间用来检测垂直方向电容量的第二检测用电极在内的上硅层；在上述上硅层和下硅层之间共熔的接合层；位于上述上硅层上部，并具有设置金属配线的通孔的上玻璃基片。
特别是，用于检测侧面运动的上述侧面运动检测结构物由可向水平方向运动的结构物和随着结构物的水平运动而检测电容量变化的电极构成。而且，上述上硅层的检测用电极检测垂直方向的电容量。
因此，按水平、垂直方向在x，y，z轴空间上可以构成能检测的惯性传感器。
此外，为了本发明的优选实施例，上述共熔接合层则通过Au-Si低共熔接合形成。
即，上述微惯性传感器则通过SOG晶片构成元件晶片和盖晶片，从上述盖晶片形成通孔，且在上述盖晶片上设置上部检测用电极，从而解决了现有电极配线难的问题，同时实现了小型化，而且可以检测垂直方向的电容量。特别是，在本发明中不仅解决了采用传统方式设置通孔时可能触到电极配线的后顾之忧，而且还进一步完善了因凹割的影响有可能不会发生接点的弊端。除此之外，在SOG晶片上设置从玻璃板到硅层的通孔时，将使通孔延伸至硅层，使之与硅层得以连接，以确保供应充分的工作电流。
另外，为了本发明的优选实施例，上述元件晶片和盖晶片则可以采用SOI晶片、LPCVD多晶硅或者Epi多晶硅。
在本发明中为了制造上述微惯性传感器，按照下面工艺流程进行。
即，先形成元件晶片的工序，它包括：首先在下玻璃基片上面设置下硅层，且在上述下硅层上为了设置由能够向水平方向运动的结构物和随着运动能检测电容量变化的电极构成的用来检测侧面运动的结构物、第一固定点以及第一接合用边缘而进行蚀刻的阶段；对作为牺牲层的上述下玻璃基片进行蚀刻的阶段；在上述下硅层上另行增设接合用Au阶段；其次，形成盖晶片的工序，它包括：在上玻璃基片上形成上硅层的阶段；在上述上硅层上形成盖的阶段；在上述上硅层形成与上述元件晶片工艺中的第一固定点、第一边缘以及能够按水平方向运动的结构物分别对应的第二固定点和第二边缘以及第二检测用电极的阶段；在上述上玻璃基片上设置通孔，其通孔延伸至上述第二固定点内部；最后采用低共熔结合方式将上述元件晶片和盖晶片粘合，并在上述通孔上增设导电层，进行导电配线工序。
作为本发明的另一个实施例，上述共熔焊所需的接合用Au，在形成结构物之前，可事先通过制样进行设置。
本发明中的另一个实施例，上述金属配线在接合之前，在设置通孔之后事先可进行。
附图说明
图1a至图1f是为了说明传统技术的元件晶片和盖晶片的微传感器的封装工程而提供的示意图；
图2是图示在采用传统技术制作的微传感器的密封接合部上形成凹槽部，并已完成封装的元件晶片和盖晶片的接合状态的正断面结构图；
图3是表示本发明所涉及的微感性传感器的断面的断面图；
图4是本发明所涉及的微惯性传感器的盖晶片结构因素上硅层的平面图；
图5是本发明所涉及的微惯性传感器的元件晶片的构成因素下硅层的平面图；
图6是本发明所涉及的微惯性传感器制作工程流程图。
<对附图主要符号的说明>
1：下玻璃基片         1a，2a，4a：边缘
1b，2b，4b：固定部    2：下硅层
2c：结构物            2d：用来检测侧面运动的电极
3：接合层             4：上硅层
4c：上部检测用电极    5：上玻璃基片
5a：通孔              6：金属配线
具体实施方式
下面通过附图详细说明本发明所涉及的微惯性传感器的构成及其制作方法。
如图3所示，本发明所涉及的微惯性传感器，由通过共熔焊的上硅层(4)和在上述上硅层(4)上设置的玻璃基片(5)构成，它与牺牲层蚀刻的下玻璃基片(1)、在上述底座上设置的下硅层(2)和上述下硅层(2)以及接合层(3)相隔一定距离。
更具体介绍上述各个结构，上述下玻璃基片(1)则可分为边缘(1a)和固定点(1b)，中央部分则表示蚀刻的牺牲层空间部。
另外，在上述下玻璃基片上设置的下硅层(2)又可分为边缘(2a)、固定点(2b)和侧面运动检测结构物(2c)，边缘(2a)和固定点(2b)以及结构物(2c)则分别对应于上述下玻璃基片(1)的边缘(1a)和固定点(1b)以及中央蚀刻的牺牲层空间部。
为对应于上述下硅层(2)的边缘部(2a)、固定点(2b)以及结构物(2c)而设置上硅层(4)的边缘(4a)和固定点(4b)，而在上述固定点(4b)上方则设置了形成金属配线(6)的通孔(5a)。
此时，上述下硅层的结构物(2c)，由用来检测垂直方向的电容量变化的上部检测用电极形成另外层。图4是表示这些相互对应的上部电极的位置(4c)。另外，用来检测上述下硅层结构物(2c)的水平方向的电容量的侧面检测用电极(2d)，如图5所示，在与上述下硅层结构物(2c)相同的面上设置。最顶层则如图3所示，由上玻璃基片(5)构成，且以对应于上述上硅层(4)的第一固定点(4a)的位置为中心，在两侧设置了“V”字型通孔(5a)，而其通孔延伸至第一固定点内部。在这些通孔(5a)的上方则将设置金属配线(6)。
下面将详细介绍上述微惯性传感器的制造过程。
图6是表示本发明所涉及的微惯性传感器的制造过程及其方法。
如图6(A)至6(C)所示，首先在下玻璃基片(1)上面设置下硅层(2)，然后对上述设置的下硅层(2)进行蚀刻，并在其周围将设置密封和接合所需的边缘(2a)的同时，还设置固定点(2b)和结构物(2c)，此时上述结构物(2c)则采用RIE，以确保使之向水平方向运动。
对上述下玻璃基片(1)采用HF溶液进行牺牲层蚀刻，使结构物(2c)成为悬浮于空中的释放状态。随后，上述下硅层(2)将分离为边缘(2a)、固定点(2b)和结构物(2c)，而在其上方则另行增设接合用Cr/Au，从而形成接合层(3)。该工艺通常在牺牲层蚀刻之后进行，但可根据具体情况，在牺牲层蚀刻工艺之前，按其图样进行制作。
通过上述各个工序将形成元件晶片。
与上述元件晶片形成工艺不同，将另外进行形成盖晶片的工艺。在上玻璃基片(5)上设置上硅层(4)，且为了检测上述元件晶片结构物(2c)的上下运动而在上述上硅层(4)上设置盖，并为使上述设置盖的上硅层(4)在分别对应于上述元件晶片的边缘(2a)、固定点(2b)和结构物(2c)的位置上形成边缘(4a)、固定点(4b)而用RIE进行蚀刻并分离；而上述上部电极层(4c)则通过结构物(2c)的垂直方向的相对运动检测垂直方向的电容量。
此外，还进行在对应于上述固定点(4b)的衬垫上从上玻璃基片(5)向下段方向设置″V″字型通孔(5a)的工艺。
对于经过这些一系列工艺过程的上述元件晶片和盖晶片，则采用共熔焊方式进行粘合，并在上述通孔上设置金属配线(6)，从而可以制造本发明所涉及的微惯性传感器。
若采用这些工艺，则可以解决如下弊端：先设置SOG MEMS结构物，当作为惯性传感器利用时，则制造结构物之后，再用引线接合方式进行机壳封装，而且在将传感器的芯片进行切割或芯片接合的过程中因移动而会导致污染，从而降低成品率，且只靠机壳封装难以用低价封装较敏感于周围环境的惯性传感器的传统技术的弊端。另外，用晶片级封装技术取代这些机壳封装技术，从而彻底清除了因切割和芯片接合所致的污染，而且在不受周围环境影响的条件下可以封装传感器。此外，为了进一步提高及加强惯性传感器和RF元件的性能，在真空环境中进行封装，从而可以用低价制造出高性能元件。
同时，还具有无需进行设置电极所需的配线工序，从而可以实现小型化的优势。
在本发明中，在SOG MEMS结构物的元件晶片上设置结构物，并接合设置检测电极和配线孔的SOG盖晶片，从而实现晶片级的封装效果。因此，不仅可以减少在工艺如dicing或机壳封装过程中可能会发生的成品率减低的现象，而且还可以简化工艺流程，实现小型化。

Claims (14)

1.一种微惯性传感器，其特征在于：它包括：下玻璃基片；包括上述下玻璃基片上用来检测第一边缘和第一固定点以及侧面运动检测结构物在内的下硅层；包括分别对应于上述下硅层的第一边缘部、第一固定点及侧面运动检测结构物的第二边缘部、经内设金属线的通孔接合的第二固定点以及上述侧面运动检测结构物之间用来检测垂直方向电容量的第二检测用电极在内的上硅层；在上述上硅层和下硅层之间共熔的接合层；位于上述上硅层上部，并具有设置金属配线的通孔的上玻璃基片。
2.根据权利要求书1所述的微惯性传感器，其特征在于：用于检测侧面运动的上述侧面运动检测结构物由可向水平方向运动的结构物和随着结构物的水平运动而检测电容量变化的电极构成。
3.根据权利要求书1所述的微惯性传感器，其特征在于：上述上硅层的第二检测用电极检测垂直方向的电容量。
4.根据权利要求书1所述的微惯性传感器，其特征在于：上述共熔的接合层是通过Au-Si低共熔结合方式形成。
5.根据权利要求书1所述的微惯性传感器，其特征在于：上述通孔从上玻璃基片上部延伸至上硅层的第二固定点内部。
6.一种微惯性传感器的制造方法，其特征在于：它包括：先形成元件晶片的工序，它包括：首先在下玻璃基片上面设置下硅层，且在上述下硅层上为了设置由能够向水平方向运动的结构物和随着运动能检测电容量变化的电极构成的用来检测侧面运动的结构物、第一固定点以及第一接合用边缘而进行蚀刻的阶段；对作为牺牲层的上述下玻璃基片进行蚀刻的阶段；在上述下硅层上另行增设接合用Au阶段；其次，形成盖晶片的工序，它包括：在上玻璃基片上形成上硅层的阶段；在上述上硅层上形成盖的阶段；在上述上硅层形成与上述元件晶片工艺中的第一固定点、第一边缘以及能够按水平方向运动的结构物分别对应的第二固定点和第二边缘以及第二检测用电极的阶段；在上述上玻璃基片上设置通孔，其通孔延伸至上述第二固定点内部；最后采用低共熔结合方式将上述元件晶片和盖晶片粘合，并在上述通孔上增设导电层，进行导电配线工序。
7.一种微惯性传感器，其特征在于：它包括：下基片；包括设置在同一面的在上述下基片上用来检测第一边缘和第一固定点以及水平方向电容量的侧面检测用电极在内的结构物由下硅层构成的元件晶片；包括分别对应于上述下硅层的第一边缘部、第一固定点及结构物的第二边缘部、第二固定点以及上述结构物之间用来检测垂直方向电容量的上部检测用电极在内的上硅层；位于上述上硅层上部，并具有设置金属配线的通孔的包括上基片的盖晶片；在上述上硅层和下硅层之间共熔的接合层。
8.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述通孔从上玻璃基片延伸至上硅层的固定点内部。
9.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述的下基片和上基片采用玻璃制成。
10.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述通孔从上述上基片延伸至于上硅层内部，并呈“V”字型，同时形成导电性金属膜。
11.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述元件晶片和上述盖晶片是采用硅涂覆于玻璃上的SOG晶片。
12.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述元件晶片和上述盖晶片是采用硅涂覆于绝缘层上的SOI晶片。
13.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述元件晶片和上述盖晶片是采用LPCVD多晶硅晶片。
14.根据权利要求书7所述的微惯性传感器，其特征在于：上述元件晶片和上述盖晶片是采用Epi多晶硅晶片。
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